1) Die Aufnahme und Abgabe gasförmiger Stoffe.

In gasförmigem Zustand können die verschiedenartigsten Stoffe vom

Protoplasma aufgenommen werden. (Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff,

Kohlensäure, Kohlen- und Stickoxyd, Ammoniak-, Chloroform-,

Aetherdämpfe und dergleichen mehr.)

Von allgemeiner Bedeutung für den Stoffwechsel ist indessen nur die

Aufnahme von Sauerstoff und Kohlensäure, besonders von dem ersteren.

Ohne Aufnahme von Sauerstoff, welchen Vorgang man die +Athmung+

nennt, kein Leben! +Sauerstoffathmung+ ist mit wenigen Ausnahmen

(anaërobe Bakterien etc.) eine Fundamentaleigenschaft der gesammten

organischen Natur; sie ist für die Stoffwechselprocesse, auf denen

das Leben beruht und bei denen oxydative Spaltung hochmolecularer

Verbindungen die lebendigen Kräfte liefern muss, unbedingt

nothwendig. Sauerstoffmangel bringt in der Regel sehr rasch die

Functionen der Zelle, die Reizbarkeit, die Bewegungsfähigkeit etc.

zum Stillstand; schliesslich führt er mit Nothwendigkeit den Tod

herbei.

Eine scheinbare Ausnahme von dem fundamentalen Process der Athmung

scheinen die Gährungsorganismen, die Spalt- und Sprosspilze, zu

liefern. Denn sie können bei vollständigem Abschlusse von Sauerstoff

in einer geeigneten Nährflüssigkeit wachsen und sich vermehren.

In diesem Fall wird der für die Oxydationsvorgänge im Protoplasma

erforderliche Sauerstoff und die Betriebskraft für den Lebensprocess

durch Zerlegung von Gährmaterial gewonnen. Ebenso leben Darmparasiten

in einer ziemlich sauerstofffreien Umgebung durch Spaltung von

Verbindungen des ihnen im Ueberschuss gebotenen Nahrungsbreies.

(Bunge V. 2.)

Welche Rolle spielt der Sauerstoff bei seiner Aufnahme in die Zelle?

Früher glaubte man, dass der Sauerstoff auf die lebende Materie

direct oxydirend einwirke, dass er, wie man sich bildlich ausdrückte,

einen Verbrennungsprocess im Körper hervorrufe, durch welchen Wärme

geliefert werde. Der Vorgang ist jedenfalls ein complicirterer,

wobei die Kräfte, welche zur Bindung des Sauerstoffs führen, von

der lebenden Substanz selbst ausgehen. In dem Protoplasma, diesem

Gemisch eigenthümlicher Eiweisskörper und ihrer Derivate, in welchem

ausserdem noch Fette und Kohlenhydrate als Einlagerungen enthalten

sind, finden, durch geringfügige Einwirkungen veranlasst, beständig

moleculare Umlagerungen und Umgruppirungen von Atomen, unter diesen

auch Zersetzungen und Dissociationen, statt. „Hierbei entwickeln sich

in vielen Spaltproducten fortdauernd auch Affinitäten zum freien

Sauerstoff (oxydative Spaltung) und ziehen ihn auf diese Weise in

den Stoffwechsel mit hinein.“ (Pflüger V. 25, 26.) So entstehen bei

der Athmung auf Kosten der organischen Substanz sauerstoffreichere

Verbindungen und durch fortgesetzte Spaltung und Oxydation derselben

schliesslich Kohlensäure und Wasser, die wichtigsten Endproducte

des unter Sauerstoffathmung einhergehenden Zersetzungsprozesses der

lebenden Substanz.

Es gilt dies für jede thierische, für jede pflanzliche Zelle.

Wenn man Pflanzenzellen, in denen das Protoplasma lebhaft strömt

(Staubfadenhaare der Tradescantia, Zellen von Characeen), in einen

Tropfen reinen Olivenöls legt, so verlangsamt sich bald in Folge

des behinderten Zutritts von Sauerstoff die Bewegung und hört bald

ganz auf. Dasselbe tritt ein, wenn Pflanzenzellen in eine Atmosphäre

gebracht werden, die ausschliesslich aus Kohlensäure, aus Wasserstoff

oder aus einem Gemisch von beiden besteht. Zunächst sind nur die

Functionen des Protoplasma aufgehoben; wird nach Entfernung des

Olivenöls oder der Kohlensäure oder des Wasserstoffs wieder reine

Luft zugeleitet, so kehrt nach einer Periode der Erholung allmählich

wieder Reizbarkeit und Bewegung zurück. Bei längerer Entziehung des

Sauerstoffs aber folgt der Lähmung der Functionen schliesslich der

Tod des Protoplasmas unter Trübung, Gerinnung und Zerfall.

Ebenso athmet jede thierische Zelle. Wenn ein bebrütetes Hühnerei

in den Anfangsstadien seiner Entwicklung, wo es aus lauter kleinen

Zellen zusammengesetzt ist, in eine Kohlensäure-Atmosphäre gebracht

wird, oder wenn man die poröse Kalkschale mit Oel durchtränkt, so

dass ein Gasaustausch zwischen Keim und Luft nicht mehr stattfinden

kann, so stirbt es in wenigen Stunden ab.

Der bei dem Menschen durch die Lungen aufgenommene Sauerstoff dient

dazu, um +das Sauerstoffbedürfniss aller in den verschiedenen

Geweben unseres Körpers enthaltenen Zellen zu befriedigen+.

Letzteren Vorgang bezeichnet man in der Thierphysiologie im Gegensatz

zur Aufnahme des Sauerstoffs oder der Lungenathmung als +innere

Athmung+.

+Im ganzen Organismenreich ist der Athmungsprocess mit

Kohlensäureabgabe und mit Wärmebildung verbunden.+ Es ist dies

ein einfach chemisches Gesetz: „Wie bei jeder andern Verbrennung von

Kohlenstoff und Wasserstoff zu Kohlensäure und Wasser muss auch bei

der Athmung ein bestimmtes Quantum von Wärmebewegung erzeugt werden“

(Sachs IV. 32a). Eben so gut wie die thierischen, athmen daher auch

die pflanzlichen Zellen Kohlensäure aus und bilden Wärme.

Bei Pflanzen ist die Wärmebildung am leichtesten an lebhaft

wachsenden Theilen nachzuweisen, an keimenden Samen, besonders

deutlich aber an den Blüthenkolben der Aroideen. Letztere können sich

zuweilen bis 15 °C. über die Temperatur der Umgebung erwärmen.

+Bei der Athmung regulirt die lebende Zelle selber die Grösse

ihres Sauerstoffverbrauches. Derselbe wird einfach bedingt durch

das Maass ihrer functionellen Thätigkeit+, die mit einer

entsprechend grossen Zersetzung organischer Substanz einhergeht.

Eine unbefruchtete Eizelle athmet sehr geringe Quantitäten von

Sauerstoff ein, desgleichen ein ruhender Pflanzensamen; wenn aber die

Eizelle befruchtet wird und der Zellentheilungsprocess in lebhaftem

Gange ist, oder wenn der Pflanzensamen keimt, dann wächst die

Sauerstoffaufnahme. Sie ist eine Function des in Lebensthätigkeit

begriffenen Protoplasmas (Sachs). Hieraus erklärt sich auch leicht

die Erscheinung, dass die +Sauerstoffaufnahme in die lebende Zelle

„innerhalb weiter Grenzen vollkommen unabhängig von dem Partialdruck

des neutralen Sauerstoffs ist+“. (Pflüger.)

Um das Capitel der Athmung abzuschliessen, ist noch auf eine wichtige

Erscheinung einzugehen. Auch bei Abwesenheit von Sauerstoff können

die Zellen bald kürzere, bald längere Zeit Kohlensäure ausathmen und

Wärme erzeugen. Keimpflanzen in ein Torricelli’sches Vacuum gebracht,

fahren fort Kohlensäure auszuhauchen, in den ersten Stunden wie

normal, dann in allmählich geringer werdender Quantität.

Frösche lassen sich nach den Versuchen von Pflüger in dem

sauerstofffreien und mit Stickstoff gefüllten Raum einer Glasglocke

viele Stunden am Leben erhalten, in welcher Zeit eine ziemlich

beträchtliche Quantität von Kohlensäure ausgeathmet wird.

Beide Versuche lehren, dass in der Zelle eine Zeit lang auch ohne

unmittelbaren Zutritt von Sauerstoff bloss durch +Zersetzung

organischer Substanz+ Kohlenstoff- und Sauerstoffatome zur Bildung

von Kohlensäure zusammentreten können.

Man bezeichnet diesen Vorgang als +intramoleculare Athmung+.

So lange dieselbe anhält, lebt die Zelle und bleibt, wenn auch mit

stetig abnehmender Energie, reizbar und functionsfähig, indem sie

einen Theil des Sauerstoffs, der in ihren eigenen Substanzen gebunden

ist, als Betriebskraft gebraucht. Bei länger fortgesetzter Entziehung

des Sauerstoffs tritt aber immer der Tod ein.

Auch aus den Erscheinungen der intramolecularen Athmung lässt

sich der schon oben aufgestellte Satz begründen: „+dass nicht

der von aussen eindringende Sauerstoff den ersten Anstoss zu den

chemischen Vorgängen der Athmung giebt, dass vielmehr innerhalb des

Protoplasmas zunächst und primär eine Zersetzung des Eiweissmoleküles

stattfindet, welche mit Kohlensäurebildung endigt, dass aber durch

den von Aussen her zutretenden Sauerstoff eine restitutio in integrum

stattfindet+“.

Zu der Gährung, durch welche Gährungserreger auch ohne

Sauerstoffzutritt wachsen und sich vermehren und Kohlensäure

produciren, bietet die intramoleculare Athmung Vergleichspunkte dar,

auf welche besonders +Pfeffer+ (V. 22) aufmerksam gemacht hat.

Während die Aufnahme von Sauerstoff und die Abgabe von Kohlensäure

Anfang und Ende einer Reihe complicirter Processe bezeichnen, welche

hauptsächlich der regressiven Metamorphose oder der Zerstörung

organischer Substanz angehören, bietet uns die +Aufnahme und

Verarbeitung der Kohlensäure in der Zelle+ einen Einblick in

den entgegengesetzten Process, in den Process der progressiven

Metamorphose oder der Erzeugung organischer Substanz. Im Unterschied

zur Athmung nennt man diesen Vorgang +Assimilation+.

+Sauerstoffathmung und Assimilation von Kohlensäure treten in

jeder Beziehung in Gegensatz zu einander.+ Jene ist eine fast dem

ganzen Organismenreich angehörige, fundamentale Erscheinung, diese

dagegen zeigt sich nur auf das Pflanzenreich beschränkt, und auch

hier ist sie keine Eigenschaft aller, sondern nur +solcher Zellen,

die in ihrem Protoplasma Blattgrün oder Blattgelb (Chlorophyll oder

Xanthophyll) enthalten+. Sauerstoffathmung führt zu oxydativen

Zersetzungsprocessen, Kohlensäureassimilation dagegen zur Reduction

der Kohlensäure und zur Synthese hochmolecularer, organischer

Substanzen. Es sind dies Kohlenhydrate, namentlich +Stärke+,

welche sich in Form kleiner Körnchen in den grünen Pflanzentheilen

(Chlorophyllkörnern und Chlorophyllbändern) abgelagert findet.

Bei der Assimilation der Kohlensäure sind die einzelnen Phasen der

in der Pflanzenzelle stattfindenden, synthetischen Processe noch

in Dunkel gehüllt. Nur so viel lässt sich sagen: Kohlensäure und

Wasser bilden das Ausgangsmaterial für die Synthese; dabei entsteht

durch Reduction von Kohlensäure und Wasser Sauerstoff und wird

als Gas reichlich abgeschieden. Der Process findet im Protoplasma

nur bei Gegenwart von Chlorophyll statt, ausser welchem auch noch

andere chemische Körper betheiligt sein können. Endlich kann die

Kohlensäureassimilation nur im Licht vor sich gehen. Denn um den

Sauerstoff aus der Kohlensäure und dem Wassermolecül frei zu machen,

ist Wärme nothwendig. Auch hierin stehen sich Kohlensäureassimilation

und Sauerstoffathmung gegenüber; hier wird durch Oxydation, die ein

Verbrennungsprocess ist, Wärme erzeugt und lebendige Kraft frei

gemacht, dort wird zu der Reduction der Kohlensäure Wärme verbraucht

und als Spannkraft in den Assimilationsproducten gebunden. Die für

diesen Process erforderliche Wärme liefert das Sonnenlicht.

Wenn man eine Wasserpflanze in kohlensäurehaltiges Wasser bringt

und in die Sonne stellt, so sieht man alsbald zahlreiche kleine

Luftblasen aufsteigen, die, unter einer Glocke gesammelt, bei

einer chemischen Analyse zeigen, dass sie hauptsächlich aus

Sauerstoff bestehen. Der Abscheidung des Sauerstoffes entsprechend,

wird gleichzeitig aus dem Wasser Kohlensäure aufgenommen und zu

Kohlenhydraten verarbeitet. Wie hierbei das lebendige, auf Licht

empfindliche Protoplasma den Chlorophyllapparat in die zur Richtung

und Stärke des Lichtes günstigste Lage zu bringen vermag, wurde schon

in einem früheren Capitel (Seite 84) auseinandergesetzt.

Der Vorgang der Assimilation ist im Lichte ein so lebhafter, dass

daneben die Sauerstoffathmung und Kohlensäureabgabe, welche zur

Unterhaltung des Lebensprocesses absolut nothwendig ist, vollständig

in den Hintergrund tritt und daher auch in früherer Zeit ganz

übersehen wurde. Dagegen stellen Pflanzen, die in’s Dunkle gebracht

werden, sofort die Sauerstoffabscheidung und nicht minder auch die

Kohlensäureaufnahme ein, fahren aber im Dunkeln nach wie vor, ebenso

wie belichtete Pflanzen, zu athmen fort. Das Gas, das jetzt freilich

in viel geringerer Quantität als in obigem Versuch ausgeschieden

wird, ist Kohlensäure.

Auf einen interessanten Unterschied, der zwischen Sauerstoffathmung

und Kohlensäureassimilation bei den Pflanzen besteht, hat Claude

Bernard (IV. 1a) hingewiesen. Er hat Wasserpflanzen durch Chloroform

oder Aether in Narcose versetzt und gefunden, dass sie jetzt im

Sonnenlicht keinen Sauerstoff mehr ausscheiden. Wie in der Narcose

die Reizbarkeit und Bewegungsfähigkeit des Protoplasma, so wird in

derselben auch die +Chlorophyllfunction+, die Fähigkeit, auf

synthetischem Wege aus Kohlensäure und Wasser Stärke zu bilden,

absolut aufgehoben. Dieselbe kehrt wieder, wenn die Pflanze in reines

Wasser zurückgebracht wird. Noch bemerkenswerther aber ist bei diesem

Versuch, dass während der Narcose die Athmung unter Abscheidung von

Kohlensäure weiter vor sich geht. Dieser Unterschied ist wohl darauf

zurückzuführen, dass die Sauerstoffathmung und die mit ihr verbundene

Zersetzung zum ganzen Lebensprocess in einem viel innigeren

Zusammenhang stehen und daher erst mit dem Leben der Zelle ganz

erlöschen. Ehe aber durch Narcose der Tod der Zelle herbeigeführt

wird, werden schon längere Zeit zuvor die Functionen der Zelle

gelähmt, unter ihnen auch die Chlorophyllfunction.

Die Zelle und die Gewebe (Vol. 1/2) · 第 114 / 170 题